[논문]ZnO로 후처리된 TiO2 광전극을 이용한 고효율의 염료감응형 태양전지의 개발

박준용; 윤병로; 김태오

doi:10.7316/khnes.2017.28.4.419

ZnO로 후처리된 TiO2 광전극을 이용한 고효율의 염료감응형 태양전지의 개발
Development of Highly Efficient Dye-Sensitized Solar Cells Using ZnO Post-Treated TiO2 Photoelectrodes 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.28 no.4, 2017년, pp.419 - 425

박준용 (금오공과대학교 환경공학과) , 윤병로 (금오공과대학교 환경공학과) , 김태오 (금오공과대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an efficient dye-sensitive solar cells (DSSC) was developed after post-treatment of ZnO on $TiO_2$ photoelectrode. The $TiO_2$ electrode with ZnO post treatment was prepared with Titanium isoporopoxide in Zinc Nitrate Hexahydrate aqueous solution by incineration for 30 min at $450^{\circ}C$. The ZnO-post treated $TiO_2$ electrode showed strong dispersion force between particles in relation to the control $TiO_2$, referring high specific surface area and dye-adsorption rate. Proper addition of ZnO enhanced electron mobility and reduced internal resistance and electron recombination. Light conversion efficiency of DSSCs containing the ZnO-posttreated $TiO_2$ electrode increased 35.4% when compared to the DSSCs using $TiO_2$ electrode. It is similar to the DSSCs with $TiCl_4$ post treatment $TiO_2$ electrode. Increasing of light conversion efficiency was due to high specific surface area and dispersion force, and low dye-adsorption rate and electron recombination. Taken together, ZnO may be used as posttreatment of photoelectrode and replaced $TiCl_4$ that has high toxicity and causticity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 취급이 용이하고 부식성 및 독성이 적은 ZnO를 TiO2에 박막처리하여 광전극 및 염료감응형 태양전지를 제조하고 물리적, 전기 적 특성평가를 진행하여 TiCl4 대체물질로서의 가 능성을 평가하였다.

제안 방법

IMPS (photo current spectroscopy)는 green light (λ =525 nm)에서 실험을 실시하였고 Photoelectro-chemical date는 Keithley 2400 source를 이용, AM 1.5 illumination (100 mW/cm2)에서 진행하였으며 DSSC의 working area는 0.09cm2이다.
그 후 0.1, 1, 10 mM ZnO 수용액에 TiO2 광전극을 30분간 담지한 후 450°C에서 30분간 한번 더 열을 가했으며15,16) 대조군인 TiCl4는 40mM로 제조하였다8).
Fig. 2에서 보는 바와 같이 1 mM ZnO post treat- ment TiO2 샘플에서 O, Ti, Zn의 peak가 확인되었으 며 O가 약 40%, Ti가 56%, Zn이 4%로 측정됨으로써 모든 물질의 존재 여부를 확인하였다.
TiO2 와 TiCl4 post treatment TiO2, 0-10 mM ZnO post treatment TiO2의 입자크기와 분포를 파악하기 위해 TEM을 측정하였으며 Fig.
TiO2와 TiCl4 post treatment TiO2, ZnO post treatment TiO2의 분말의 결정구조는 X-ray diffraction pattems (XRD)로 측정하였으며(scanning range 2θ =20° to 80°, scanning speed 5°C/min), UV-vis spectrophotometer로 염료감응형 태양전지의 흡착능력을 평가하였고 입자의 물리적 특성은 transmission electron microscopy (TEM, JEOL, JEM-2010)로 측정하였다.
본 연구에서는 TiO2 입자 위에 0-10 mM ZnO를 박막처리 하여 새로운 광전극을 제조하였다.

대상 데이터

TiO2와 ZnO 전구물질은 각각 titanium isopropoxide (Ti(OiPr)4)와 zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO3)2 6H2O)를 사용하였다.

이론/모형

TiO2 분말은 졸겔법으로 합성하였다.
TiO2와 TiCl4 post treatment TiO2, 0.1-10 mM ZnO post treatment TiO2 입자의 결정 크기는 Debye-Scherrer의 계산식이 의해 구했으며 계산식은 다음과 같다20,21):D=0.94λ/βcosθ .
TiO2와 ZnO post treatment TiO2에 사용되는 TiO2 페이스트는 Gratzel의 방법으로 제조하였다14).

성능/효과

각 샘플 중 TiO2 광전극을 사용한 염료감응형 태양전지의 반원이 가장 큰 것을 확인할 수 있고, TiCl4과 ZnO post treatment TiO2 광전극을 사용한 염료감응형 태양전지가 TiO2 광전극을 사용했을 때 보다 낮은 반원을 나타내는 것을 알 수 있다.
이와 같은 연구 결과는 기존 연구에서 사용하고 있던 독성과 부식성이 높은 TiCl4를 대신해 전기적 특성능력은 조금 떨어지지만 높은 Jsc값으로 인해 유사한 광변환 효율을 보이는 ZnO를 후처리 물질로 사용 할 수 있음을 확인시켜 주었다.
적절한 양의 ZnO 후처리를 통해 입자의 분산력이 향상되었으며 이로 인해 높은 염료흡착률을 보였다.
1 mMZnO post treatment TiO2를 광전극으로 사용한 염료감응형 태양전지는 Jsc, Voc, FF가 각각 19.42mA/cm2 , 0.69 V, 46.71%로 측정되었으며 6.24%의 광변환 효율을 나타냄으로써 대조군으로 사용된 TiO2보다 약 35.4% 증가하였다.
10 mM ZnO post treatment TiO2는TiCl4 post treatment TiO2보다는 낮은 염료흡착률을 나타냈지만 대조군인 TiO2와 비교했을 때 높은 염료흡착률로 확인되었다.
Fig. 4의 측정 결과를 보면, TiCl4 post treatment TiO2가 비표면적 상승으로 인해 가장 높은 염료흡착률을 보이고 있으며 1mM, TiO2, 0.1mM, 10mM순으로 확인되었다.
4% 이상 증가되었고 TiCl₄post-treatment TiO₂ 광전극을 사용한 염료감응형 태양전지와 비교하였을 때는 Voc 값은 낮지만 더 높은 Jsc값이 측정되었다. Impedance와 IMPS 측정 결과는 1 mM ZnO post treatment TiO₂ 광전극을 사용한 염료감응형 태양전 지가 TiO₂ 광전극을 사용했을 때보다 전자 재결합 비율이 낮으며 전자이동능력도 증가하였다. 이와 같은 연구 결과는 기존 연구에서 사용하고 있던 독성과 부식성이 높은 TiCl₄를 대신해 전기적 특성능력은 조금 떨어지지만 높은 Jsc값으로 인해 유사한 광변환 효율을 보이는 ZnO를 후처리 물질로 사용 할 수 있음을 확인시켜 주었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염료감응형 태양전지는 언제 누가 개발하였는가?	광합성의 원리를 이용한 염료감응형 태양전지는 1991년 Gratzel에 의해 개발되었다. 염료감응형 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 낮은 가격, 유연한 성질 때문에 다방면에 이용이 가능하며주로 사용되는 광전극인 TiO2는 물리적으로 안정적이다1,2).
	염료감응형 태양전지의 장점은?	광합성의 원리를 이용한 염료감응형 태양전지는 1991년 Gratzel에 의해 개발되었다. 염료감응형 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 낮은 가격, 유연한 성질 때문에 다방면에 이용이 가능하며주로 사용되는 광전극인 TiO2는 물리적으로 안정적이다1,2).
	염료감응형 태양전지에 TiCl4를 박막처리하는 방법의 문제점은?	염료감응형 태양전지의 효율을 증가시키기 위한 방안으로는 TiO2에 전이금속을 첨가(Ag, Si, Cu, Zr)하여 전자이동도 및 염료흡착률을 증가시키거나2,3,5,7) TiCl4를 박막처리함으로써 비표면적을 향상시키는 방법이 있다8-10). 그러나 TiCl4는 독성과 부식성이 강해 취급 및 제조가 어렵기 때문에 최근에는 유사한 효과를 가지면서 독성 및 부식성이 적은 물질로 대체하는 연구가 활발히 진행되고 있다11).

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